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Substance humique

Les substances humiques sont des composés organiques largement présents dans l'humus, principale fraction organique des sols, ainsi que dans la tourbe et le charbon. Elles peuvent également être trouvées à l'état dissout ou colloïdal dans les cours d'eau, les lacs dystrophiques et les océans. D'un point de vue théorique, les substances humiques ont été considérées dans le cadre de la théorie acido-basique comme des acides organiques, et leurs bases conjuguées, les humates, comme des composants clés de la matière organique naturelle des sols. Les acides humiques et fulviques sont extraits de l'humus des sols et mis en solution à l'aide de solutions alcalines, comme NaOH ou Na2CO3. Les groupements carboxyliques et phénoliques qui les composent sont alors dissociés et ionisés à pH élevé, augmentant leur solubilité et permettant leur extraction. La fraction restante et insoluble, l'humine, est ensuite séparée par filtration.

La définition opérationnelle des acides humiques s'établit sur leur capacité à coaguler et à floculer à pH 1, tandis que les acides fulviques constituent la fraction soluble. Les substances humiques relativement solubles grâce à leurs groupes carboxylates et phénolates partiellement dissociés et porteurs de charges négatives se distribuent entre le sol et l'eau. Elles peuvent être isolées soit par extraction à partir de la matière organique du sol, soit en concentrant la matière organique dissoute dans l'eau grâce à différentes techniques, telles que la colonne chromatographique Cephadex, la membrane à dialyse, l'ultrafiltration, l'osmose inverse, la lyophilisation, la congélation de la solution, etc.[1] - [2] - [3]

Les substances humiques peuvent être considérées comme des macromolécules à haut poids moléculaire, susceptibles de se désagréger en plus petites entités, ou comme un ensemble de molécules très diverses et de petite taille pouvant s'agglomérer en amas de plus grande taille[4] - [5]. La matière humique joue un rôle crucial pour la croissance des plantes et est hygroscopique, participant ainsi à la rétention de l'eau dans les sols. L'usage de terreau est un exemple courant de l'importance de la matière humique pour la croissance des plantes[6].

Formation et caractérisation

Les substances humiques, présentes dans l'humus, la principale fraction organique des sols, de la tourbe et du charbon, ainsi que dans les cours d'eau, les lacs dystrophiques et les océans, constituent un aspect fascinant, mais complexe de la chimie de l'humus. Il existe trois théories principales pour expliquer leur formation : la théorie de la lignine de Waksman(1932), la théorie des polyphénols et la théorie de la condensation sucre-amine de Maillard (1911)[7] - [8], qui, bien que toutes intéressantes, sont insuffisantes pour rendre compte des observations en recherche pédologique[9].

Les substances humiques résultent de la dégradation microbienne de matières végétales mortes telles que la lignine et le charbon de bois[10]. Les acides humiques et fulviques, ainsi que l'humine, sont les trois principales fractions que l'on peut extraire en laboratoire. Les acides humiques et fulviques sont extraits sous forme de sol colloïdal à partir de sols et d'autres sources en phase solide dans une solution aqueuse fortement basique d'hydroxyde de sodium ou de potassium. Les acides humiques sont précipités à partir de cette solution en ajustant le pH à 1 avec de l'acide chlorhydrique, laissant les acides fulviques en solution. La partie soluble dans l'alcool de la fraction humique est appelée acide ulmique.

Les acides humiques et fulviques sont couramment utilisés comme compléments de sol en agriculture, et moins fréquemment comme compléments nutritionnels humains. Ils peuvent former des complexes avec des ions[11] trouvés couramment dans l'environnement, créant des colloïdes humiques. Les acides humiques sont insolubles dans l'eau à pH acide[12], tandis que les acides fulviques sont solubles dans l'eau sur toute la plage de pH. Les acides humiques et fulviques sont des polyélectrolytes et sont des colloïdes uniques qui se diffusent facilement à travers les membranes, contrairement à tous les autres colloïdes.

L'acide humique traditionnellement produit en laboratoire est un mélange complexe de nombreux acides différents contenant des groupes carboxyle et phénolate, de sorte que le mélange se comporte fonctionnellement comme un acide dibasique ou, occasionnellement, comme un acide tribasique. Les acides humiques peuvent être isolés en utilisant un fractionnement chimique séquentiel appelé Humeomics pour déterminer leurs structures moléculaires par des méthodes spectroscopiques et chromatographiques avancées.

La matière humique joue un rôle important pour la croissance des plantes en tant que complément de sol, et elle est également hygroscopique et participe à la rétention de l'eau dans les sols. Les propriétés et la structure précises des substances humiques dépendent de la source d'eau ou de sol et des conditions spécifiques d'extraction. Les substances humiques ont des implications importantes pour la qualité des sols et de l'eau, ainsi que pour l'agriculture, la biologie et la santé humaine. En effet, elles participent à la formation et à la stabilité des agrégats du sol, favorisant ainsi la rétention de l'eau et des nutriments pour les plantes. De plus, leur capacité à former des complexes avec des ions peut avoir des effets bénéfiques sur la disponibilité des nutriments pour les plantes.

Les substances humiques peuvent également jouer un rôle important dans la réduction de la toxicité des métaux lourds dans le sol et les sédiments[13]. En effet, les groupes carboxyles et phénolate de ces substances ont une forte affinité pour les ions métalliques, ce qui peut réduire leur toxicité en les immobilisant dans le sol[14].

Enfin, les substances humiques peuvent être utilisées dans divers domaines, tels que la médecine, la cosmétique, la technologie des matériaux, l'industrie pétrolière et la dépollution. Leur potentiel pour le développement de nouvelles applications est encore largement inexploré.

Malgré l'importance des substances humiques, leur étude reste un domaine de recherche complexe et peu compris. Les techniques modernes de spectroscopie et de chromatographie[15] ont permis de mieux comprendre leur structure moléculaire, mais de nombreuses questions restent sans réponse quant à leur formation et leur rôle dans la nature[16].

Critique

Les matières organiques du sol se décomposent en formant des associations complexes avec les minéraux, ce qui rend leur isolement et leur caractérisation difficile. Au XVIIIe siècle, les chimistes du sol ont réussi à isoler une partie des constituants organiques du sol en utilisant une méthode d'extraction alcaline. Cela a conduit à la théorie de l'humification, qui suppose la création de « substances humiques », telles que l'acide humique, l'acide fulvique et l'humine. Cependant, ces substances humiques n'ont jamais été observées dans le sol. Bien que la théorie de l'humification n'ait pas été prouvée, elle persiste dans la littérature actuelle, y compris dans les manuels. Les tentatives pour redéfinir les « substances humiques » ont abouti à une prolifération de définitions incompatibles, ayant des implications importantes au-delà de la simple communication des processus et propriétés du sol avec précision scientifique[17].

Caractéristiques chimiques

Les substances humiques sont un sujet d'étude important dans le domaine de la chimie organique naturelle. Néanmoins, malgré des années de recherche, leur structure moléculaire et leur composition chimique demeurent largement inconnues. La conception traditionnelle est que les substances humiques sont des hétéropolycondensats, souvent associés à l'argile pour former un complexe argilo-humique. Cependant, des recherches plus récentes suggèrent que des molécules relativement petites pourraient également jouer un rôle [18]dans la formation de ces substances.

Les substances humiques sont connues pour représenter une grande partie de la capacité d'échange cationique [19]des sols, qui est la capacité des particules de sol à échanger des ions avec l'environnement environnant. Les nutriments cationiques tels que le potassium, le calcium et le magnésium sont souvent associés aux substances humiques dans les sols colloïdaux, de la même manière qu'ils sont associés à l'argile. Cette caractéristique est importante pour la croissance des plantes, car elle permet aux nutriments de rester disponibles pour les racines des plantes.

Structure et réactivité
Structure hypothétique d'un acide humique imaginaire, montrant une variété de composants comme des groupements carboxyliques, phénol, catéchol, quinone et glucidique [20].

Les substances humiques sont des composés organiques complexes et leur structure moléculaire et chimique est difficile à saisir. Elles sont généralement considérées comme des hétéropolycondensats associés à l'argile (complex argilo-humique), mais certaines molécules relativement petites pourraient également jouer un rôle important. Les substances humiques comportent un mélange de nombreuses molécules, dont certaines comportent un ensemble de noyaux aromatiques portant des substituants phénoliques[20] et carboxyliques. Les groupes carboxyliques et phénoliques contribuent le plus à la charge de surface et à la réactivité des substances humiques. Les acides humiques se comportent comme des mélanges d'acides dibasiques, avec une valeur de pK1 d'environ 4 pour la carboxyliques des groupes carboxyle et d'environ 8 pour la protonation des groupes phénolate. Il existe une similitude globale considérable entre les différents acides humiques. La densité de charge et la formation de complexes avec des ions tels que Mg2+, Ca2+, Fe2+ et Fe3+ sont également des caractéristiques importantes des acides humiques. Les acides humiques sont capables de former des complexes chélates[21] avec ces ions et régulent ainsi la biodisponibilité des ions métalliques[22]. Les molécules peuvent former une structure supramoléculaire maintenue ensemble par des forces non-covalente, telles que la force de van der Waals, les liaisons π-π et CH-π[18].

Détermination des acides humiques dans l'eau

Approximativement 50 à 90% de la capacité d'échange cationique dans les sols est due aux substances humiques, qui sont des mélanges complexes de molécules organiques. Les acides humiques sont des mélanges d'acides dibasiques, avec une densité de charge importante, qui leur permet de former des complexes avec des ions métalliques tels que Mg2+, Ca2+, Fe2+ et Fe3+. La présence d'acide humique dans l'eau destinée à un usage d'eau potable ou industriel peut avoir un impact significatif sur la traitabilité de cette eau et le succès des procédés de désinfection chimique. Puisqu'ils peuvent réagir avec les produits chimiques utilisés dans le processus de chloration pour former des sous-produits toxiques pour l'homme. Les concentrations d'acide humique sont traditionnellement estimées à partir des concentrations de matière organique. Pourtant, les procédures d'extraction peuvent modifier certaines des liaisons chimiques présentes dans les substances humiques du sol. Des classes uniques de biomolécules résiduelles ont été identifiées par des extractions sélectives et un fractionnement chimique, comme les acides alcanoïques et hydroxyalcanoïques, les résines, les cires, les résidus de lignine, les sucres et les peptides[23] - [24].

Effets écologiques

Depuis longtemps, les agriculteurs ont compris l'importance des amendements du sol en matière organique pour la croissance des plantes. Cependant, la chimie et la fonction de la matière organique ont été un sujet de controverse depuis le XVIIIe siècle[25]. À l'époque de Liebig, on croyait que les plantes utilisaient directement l'humus[26], mais après que Liebig ait montré que les plantes avaient besoin de composés inorganiques pour leur croissance, de nombreux pédologues ont estimé que la matière organique n'était utile que parce qu'elle était décomposée, libérant ainsi des éléments nutritifs sous des formes inorganiques. Aujourd'hui, les pédologues ont une vision plus holistique et reconnaissent que l'humus peut influencer la fertilité du sol[27], notamment en améliorant la capacité de rétention d'eau du sol. De plus, il a été démontré que les plantes peuvent absorber et transloquer des molécules organiques complexes. Ce qui indique que les plantes peuvent être capables d'absorber les formes solubles de l'humus, un processus essentiel pour l'absorption d'oxydes de fer insolubles autrement.

Des études ont montré que l'acide humique augmente la croissance des plantes, et ce, même à faibles taux d'application. Une étude menée en 1998 par des scientifiques du North Carolina State University College of Agriculture and Life Sciences a montré que l'ajout d'humates au sol augmentait considérablement la masse racinaire des gazons d'Agrostis stolonifera[28] - [29]. L'ajout d'acides humiques et fulviques peut également améliorer la structure du sol en amplifiant sa capacité de rétention d'eau et en réduisant l'érosion. Cependant, les effets de l'ajout d'acides humiques et fulviques sur la croissance des plantes varient potentiellement en fonction de la composition chimique de l'humus, de la plante et du sol. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour comprendre pleinement les effets de l'ajout d'acides humiques et fulviques sur la croissance des plantes et la santé du sol.

Voir aussi

Références
  1. Piccolo A., « In memoriam of Prof. F.J. Stevenson and the question of humic substances », Chemical and Biological Technologies in Agriculture, vol. 3,‎ (DOI 10.1186/s40538-016-0076-2)
  2. Drosos M., « A molecular zoom into soil humeome by a direct sequential chemical fractionation of soi », The Science of the Total Environment, vol. 586,‎ , p. 807–816 (PMID 28214121, DOI 10.1016/j.scitotenv.2017.02.059, Bibcode 2017ScTEn.586..807D)
  3. « Source Materials for International Humic Substances Society Samples » (consulté le )
  4. Piccolo A., The Molecular Composition of Humus Carbon: Recalcitrance and Reactivity in Soils. In: The Future of Soil Carbon, Wiley and Sons, , 87–124 p. (ISBN 9780128116876, DOI 10.1016/B978-0-12-811687-6.00004-3), « The Molecular Composition of Humus Carbon: Recalcitrance and Reactivity in Soils »
  5. Nebbioso A. and Piccolo A., « Basis of a Humeomics Science: Chemical Fractionation and Molecular Characterization of Humic Biosuprastructures », Biomacromolecules, vol. 12, no 4,‎ , p. 1187–1199 (PMID 21361272, DOI 10.1021/bm101488e, lire en ligne)
  6. Canellas P.L and Olivares F.L., « Physiological responses to humic substances as plant growth promoter », Chemical and Biological Technologies in Agriculture, vol. 1,‎ , p. 3 (DOI 10.1186/2196-5641-1-3)
  7. Stevenson, F.J. (1994). Humus Chemistry: Genesis, Composition, Reactions, Wiley & Sons, New York, 1994, pp. 188-210. (ISBN 0471594741).
  8. Tan, K. H. (2014). Humic matter in soil and the environment: principles and controversies. 2nd ed. Boca Ranton: CRC Press. (ISBN 1482234459).
  9. Lehmann et Kleber, « The contentious nature of soil organic matter », Nature, vol. 528, no 7580,‎ , p. 60–8 (PMID 26595271, DOI 10.1038/nature16069, Bibcode 2015Natur.528...60L)
  10. Mao, Johnson, Lehmann et Olk, « Abundant and stable char residues in soils: implications for soil fertility and carbon sequestration », Environmental Science and Technology, vol. 46, no 17,‎ , p. 9571–9576 (PMID 22834642, DOI 10.1021/es301107c, Bibcode 2012EnST...46.9571M, lire en ligne)
  11. Baigorri R, Fuentes M, González-Gaitano G et García-Mina JM, « Complementary Multianalytical Approach To Study the Distinctive Structural Features of the Main Humic Fractions in Solution: Gray Humic Acid, Brown Humic Acid, and Fulvic Acid », J Agric Food Chem, vol. 57, no 8,‎ , p. 3266–72 (PMID 19281175, DOI 10.1021/jf8035353, lire en ligne)
  12. MacCarthy, « The Principles of Humic Substances », Soil Science, vol. 166, no 11,‎ , p. 738–751 (DOI 10.1097/00010694-200111000-00003, Bibcode 2001SoilS.166..738M)
  13. « Effects of Humic Acid on Animals and Humans: An Overview of Literature and a Review of Current Research », vet servis
  14. Yamauchi, Katayama, Todoroki et Watanable, « Total synthesis of fulvic acid », Journal of the Chemical Society, Chemical Communications, no 23,‎ , p. 1565–6 (DOI 10.1039/C39840001565) :
    « Synthesis of fulvic acid (1a) was accomplished by a route involving selective ozonization of 9-propenylpyranobenzopyran (1c), obtained by a regioselective cyclization of the 2-methylsulphinylmethyl 1,3-dione(3c) »
  15. Nebbioso A. and Piccolo A., « Advances in humeomics: Enhanced structural identification of humic molecules after size fractionation of a soil humic acid », Analytica Chimica Acta, vol. 720,‎ , p. 77–90 (PMID 22365124, DOI 10.1016/j.aca.2012.01.027)
  16. Drosos M. and Piccolo A., « The molecular dynamics of soil humus as a function of tillage », Land Degradation & Development, vol. 29, no 6,‎ , p. 1792–1805 (DOI 10.1002/ldr.2989)
  17. Lehmann et Kleber, « The contentious nature of soil organic matter », Nature, vol. 528, no 7580,‎ , p. 60–8 (PMID 26595271, DOI 10.1038/nature16069, Bibcode 2015Natur.528...60L) :
    « The issue has also been approached by redefining ‘humic substances’ as the portion of soil organic matter that cannot be molecularly characterized or by calling all soil organic matter ‘humus’. We argue that this compromise - maintaining terminology but altering its meanings in varying ways — hampers scientific progress beyond the soil sciences.The [need for accurate models] of soil organic matter does not allow a confusing middle path; it requires leaving the traditional view behind to bring about lasting innovation and progress. This is critical as scientific fields outside the soil sciences base their research on the false premise of the existence of ‘humic substances’. Thus an issue of terminology becomes a problem of false inference, with far-reaching implications beyond our ability to communicate scientifically accurate soil processes and properties. »
  18. Piccolo, A., The Supramolecular structure of humic substances. A novel understanding of humus chemistry and implications in soil science, vol. 75, coll. « Advances in Agronomy », , 57–134 p. (ISBN 978-0-12-000793-6, DOI 10.1016/S0065-2113(02)75003-7)
  19. (en) Ray R. Weil et Nyle C. Brady, The Nature and Properties of Soils, Columbus, Pearson, (réimpr. April 11, 2016) (ISBN 9780133254488, OCLC 942464649, LCCN 2016008568), p. 554 :
    « Humus accounts for 50 to 90% of cation exchange capacity. Like clays, humus colloids and high surface area char hold nutrient cations »
  20. Stevenson F.J., Humus Chemistry: Genesis, Composition, Reactions, New York, John Wiley & Sons,
  21. Tipping, « 'WHAM – a chemical equilibrium model and computer code for waters, sediments, and soils incorporating a discrete site/electrostatic model of ion-binding by humic substances », Computers and Geosciences, vol. 20, no 6,‎ , p. 973–1023 (DOI 10.1016/0098-3004(94)90038-8, Bibcode 1994CG.....20..973T)
  22. E.A. Ghabbour et Davies, G. (Editors), Humic Substances: Structures, Models and Functions, Cambridge, U.K., RSC publishing, (ISBN 978-0-85404-811-3)
  23. Oliver, « Dihaloacetonitriles in drinking water: Algae and fulvic acid as precursors », Environmental Science & Technology, vol. 17, no 2,‎ , p. 80–83 (PMID 22295957, DOI 10.1021/es00108a003, Bibcode 1983EnST...17...80O)
  24. Peters, De Leer et De Galan, « Dihaloacetonitriles in Dutch drinking waters », Water Research, vol. 24, no 6,‎ , p. 797 (DOI 10.1016/0043-1354(90)90038-8)
  25. McGraw-Hill encyclopedia of science and technology: an international reference work, Volume 12, McGraw-Hill, (ISBN 978-0070452657, lire en ligne), p. 428 :
    « The value of adding organic matter to the soil in the form of animal manures, green manures, and crop residues for producing favorable soil tilth has been known since ancient times »
  26. Pan American Union. Dept. of Cultural Affairs. División de Fomento Científico, Pan American Union. Dept. of Scientific Affairs, Organization of American States. Dept. of Scientific Affairs, Ciencia interamericana: Volumes 24–27, (lire en ligne) :
    « And since plants have shown their ability to absorb and translocate the complex molecules of systemic insecticides, they can no longer discredit the idea that plants are able to absorb the soluble humic nutrients, containing by far ... »
  27. Arancon, Edwards, Lee et Byrne, « Effects of humic acids from vermicomposts on plant growth », European Journal of Soil Biology, vol. 42,‎ , S65–S69 (DOI 10.1016/j.ejsobi.2006.06.004)
  28. Cooper, Liu et Fisher, « Influence of Humic Substances on Rooting and Nutrient Content of Creeping Bentgrass », Crop Science, vol. 38, no 6,‎ , p. 1639 (DOI 10.2135/cropsci1998.0011183X003800060037x)
  29. Liu, Chunhua et Cooper, R. J., « Humic Substances Their Influence on Creeping Bentgrass Growth and Stress Tolerance », TurfGrass Trends,‎ , p. 6 (lire en ligne)

Liens externes

Lectures complémentaires
  • D.O. Hessen et Tranvik, L.J. (Editors), Aquatic humic substances: ecology and biogeochemistry, Berlin, Springer, (ISBN 978-3-540-63910-7)
  • Sillanpää, M. (Ed.) Matière organique naturelle dans l'eau, méthodes de caractérisation et de traitement (ISBN 9780128015032)
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